Come rilevare e mitigare le vibrazioni-indotte dal flusso nel tubo in uno scambiatore verticale in PTFE?

Il suono dei tubi in PTFE che danzano contro le piastre di supporto è un ronzio profondo e risonante proveniente da un alto scambiatore di calore verticale e da un lento aumento della diminuzione della pressione sul lato del guscio-. La vibrazione non è semplicemente rumore, è un processo lungo e persistente di sfregamento e usura che può tagliare un tubo. Le vibrazioni indotte dal flusso- rappresentano un problema meccanico riconosciuto in uno scambiatore verticale in PTFE. Tuttavia, con una diagnosi appropriata e una mitigazione mirata (ad esempio, aggiungendo supporti intermedi del tubo e alterando la posizione dell'ugello sul lato del guscio-), è possibile risolvere il problema prima che si verifichi un guasto del tubo.

Rilevazione delle vibrazioni su uno scambiatore verticale con tubo in PTFE
È essenziale che il rilevamento avvenga precocemente. I tubi in PTFE sono flessibili rispetto ai tubi metallici e la loro frequenza naturale è naturalmente bassa. Quanto segue mostra che possono essere presenti vibrazioni indotte dal flusso:

Ronzio udibile o rombo a bassa frequenza che varia con la portata.

La caduta di pressione sul lato del mantello- aumenta in modo imprevisto (blocco dei canali di flusso dovuto a detriti o deformazione del tubo)

Evidenze visive durante l'esame - aree lucide, tacche o assottigliamenti sui tubi in corrispondenza dei fori della piastra di supporto; polvere bianca (detriti di usura del PTFE) sul fondo del guscio.

Maggiori perdite del tubo in corrispondenza delle giunzioni del tubo-alla-piastra tubiera generate dai carichi di flessione ciclici.

Se si sospetta una vibrazione, un semplice stetoscopio o la misurazione di un accelerometro sul guscio vicino all'ugello di ingresso identificheranno la frequenza prevalente. La frequenza naturale della campata più lunga del tubo non supportato dovrà essere calcolata e confrontata con la frequenza di distacco dei vortici del flusso lato mantello.

La fisica delle vibrazioni indotte dal flusso in un guscio verticale
Il fluido sul lato mantello, spesso un liquido o un gas corrosivo, entra in uno scambiatore verticale in PTFE tramite un ugello di ingresso. Due metodi tipici di eccitazione sono

Distacco dei vortici - Quando il fluido passa accanto a ciascun tubo in PTFE, a valle vengono generati vortici alternati, che forniscono forze di sollevamento variabili perpendicolari alla direzione del flusso. La risonanza si verifica quando la frequenza di distacco è uguale alla frequenza intrinseca del tubo e vengono prodotte oscillazioni di ampiezza significativa.

Sferzamento turbolento - Un ugello di aspirazione erroneamente angolato (ad esempio tangenziale o laterale- senza diffusore) dirige un getto ad alta velocità direttamente sul fascio tubiero. Il getto provoca fluttuazioni di pressione casuali che scuotono i tubi, in particolare nella regione non supportata in alto all'ingresso.

Gravity wants to keep tubes vertical but a lengthy unsupported span of tubes (typically >1,5-2 m) è piuttosto vulnerabile. Il rischio è maggiore laddove la velocità laterale del guscio è maggiore, appena a valle dell'ugello di ingresso.

Strategia di mitigazione: irrigidire i tubi, calmare il flusso
La soluzione è stringere i tubi e calmare il flusso. Due principali attività correttive vengono condotte singolarmente o in combinazione.

1. Installare le piastre di supporto del tubo intermedio
Riducendo la lunghezza non supportata dei tubi in PTFE, la rigidità aumenta e la frequenza naturale diventa molto più elevata della frequenza di distacco dei vortici. Ulteriori piastre di supporto vengono aggiunte tra le piastre tubiere superiori e inferiori esistenti in uno scambiatore verticale.

Criteri di progettazione importanti per piastre di supporto aggiuntive:

Materiale: piastre metalliche rivestite in PTFE-o in fluoropolimero-o piastre solide in PTFE di spessore sufficiente per evitare la flessione.

Distanza tra i fori - I fori devono essere 0,5‑1,0 mm più grandi del diametro esterno del tubo Troppo stretto: il tubo pizzica, si usura; troppo lento: troppo movimento laterale.

Allineamento - Tutte le piastre di supporto devono essere esattamente allineate con le piastre tubiere in modo che i tubi non vengano piegati durante l'assemblaggio. Si consiglia l'allineamento laser o maschere precise.

Numero e spaziatura – L'intervallo massimo non supportato deve essere ridotto a un punto in cui la frequenza naturale del tubo è superiore alla frequenza di distacco dei vortici più alta prevista. I tipici tubi in PTFE (6-12 mm di diametro esterno) sono sicuri per velocità dell'acqua sul lato del guscio fino a 1,5 m/s, se le campate sono 300-500 mm.

L'aggiunta di piastre di supporto a uno scambiatore esistente comporta la rimozione del fascio tubiero, la foratura o la saldatura delle aste di montaggio delle piastre di supporto e quindi un cauto ri-assemblaggio. È un grande e semplice retrofit.

2. Modificare l'orientamento dell'ugello lato mantello e fornire una piastra di urto
L'aspirazione laterale del guscio- è una causa comune di vibrazioni. Un ugello tangenziale genera un flusso vorticoso che percorre tutta la lunghezza del mantello. Un ugello radiale mal posizionato (ad esempio puntato direttamente sul fascio tubiero) produce un getto ad alta-velocità che colpisce i tubi superiori.

Misure di mitigazione:

Cambiare l'ugello di ingresso da tangenziale a radiale in modo che il flusso sia diretto parallelamente alle piastre tubiere o alla parete del guscio, non al fascio.

Installare una piastra d'urto (diffusore o distributore di flusso) immediatamente nel guscio di fronte all'ugello di aspirazione. La piastra è una lamiera metallica piana o curva, generalmente rivestita in PTFE-, che interrompe il getto e distribuisce il flusso in modo uniforme sulla sezione-trasversale del guscio.

Posizionare un deflettore perforato in corrispondenza o vicino all'ingresso per abbassare la velocità prima che entri in contatto con il fascio tubiero.

Queste modifiche riducono la velocità massima e rimuovono la componente di vortice in modo tale che sia l'ampiezza del buffeting che quella della perdita di vortice sono notevolmente ridotte.

Note sulla precisione tecnica
La frequenza naturale del tubo dovrebbe essere mantenuta molto più alta della frequenza di distacco dei vortici. Per i tubi in PTFE il modulo di elasticità è basso (circa 400-500 MPa) in modo che anche distanze moderate (1 metro) possano risuonare a velocità di flusso fino a 0,5-0,8 m/s. Si consiglia di effettuare il calcolo con l'equazione della trave di Eulero-Bernoulli con condizioni finali fisse.

La velocità sul lato del guscio vicino all'ugello di ingresso è la più alta. Questa zona è la zona chiave per l'innesco della vibrazione. Pertanto le piastre di supporto dovranno essere posizionate più ravvicinate nella parte superiore dello scambiatore e il diffusore in ingresso dovrà essere opportunamente progettato.

Ispezione pratica sul campo delle unità esistenti
Quando si viene chiamati in una posizione su uno scambiatore verticale vibrante in PTFE, si esegue quanto segue:

Misurare l'ampiezza e la frequenza delle vibrazioni a varie altitudini utilizzando un accelerometro.

Impostare la velocità critica di distacco dei vortici in modo che sia uguale alla frequenza naturale del tubo.

Se è possibile aprire lo scambiatore, ispezionare il fascio interno per individuare segni di usura sui tubi e usura dei fori della piastra di supporto.

Proporre una revisione: aggiungere 2-3 piastre di supporto intermedie e se l'ugello è tangenziale aggiungere una piastra di urto. In alternativa è possibile progettare un riposizionamento dell'ugello di ingresso lato mantello.

Astratto
Le vibrazioni generate dal flusso in uno scambiatore verticale in PTFE sono un problema meccanico che può essere risolto, preferibilmente in fase di progettazione, fornendo un supporto adeguato per i tubi e un'aspirazione lato mantello-ben progettata-. L'aggiunta di piastre di supporto intermedie per i tubi e di una piastra di urto-diffusione del flusso a una macchina vibrante esistente può silenziare il ronzio e salvare i tubi. Abbiamo esperienza nel retrofit di scambiatori verticali in PTFE per l'abbattimento delle vibrazioni dei tubi in molti stabilimenti chimici e galvanici. Un fascio tubiero tranquillo e calmo è un fascio tubiero sano. E con una corretta ingegneria, puoi riportare quel silenzio.